Нейтроном больше: для производства СНУП-топлива можно применять азот-15

Быстрые реакторы будут работать на смешанном нитридном уран-плутониевом (СНУП) топливе. Сейчас для его производства используют природный азот, состоящий в основном из 14-го изотопа. В Институте Бочвара настоятельно предлагают применять азот‑15. Там разработали промышленную технологию его получения.

Преимущества 15-го

«Природный азот содержит 99,6 % 14-го изотопа и 0,4 % 15-го. Оба замечательно образуют нитриды, но ядерно-физические свойства у них различаются, и довольно существенно, — рассказывает Алексей Лизунов, директор отделения разработки технологии и оборудования специальных неядерных материалов и изотопной продукции Института Бочвара. — Азот‑14 поглощает 3–7 % нейтронов, рождающихся в делении. Эти нейтроны можно потратить в реакторе на более полезные вещи: например, наработать новый делящийся материал. Вдобавок 14-й изотоп не просто отбирает нейтроны — при этом происходит наработка углерода‑14 и трития. Их называют радиотоксичными. На энергоблоке придется ставить многоступенчатые системы газоочистки, чтобы исключить попадание этих радионуклидов в окружающую среду».

С азотом‑15 такой проблемы нет. Проблема — раздобыть его в нужных количествах. «Сейчас азот‑15 используется как нерадиоактивная метка — для изучения метаболизма азотсодержащих соединений в живых организмах, исследования химических процессов, — поясняет Алексей Лизунов. — Производят его довольно мало, не более 300 кг в год по всему миру. А для изготовления топлива на одну загрузку ядерного реактора требуется 2–2,5 т. Весь мир не может нам дать столько. Поэтому нужен новый метод, масштабный и при этом экономически эффективный».

25 метров инноваций

В промышленности азот‑15 в основном получают азотнокислотным методом в химобменных колоннах. Метод основан на изотопном обмене газообразных оксидов азота и азотной кислоты. Также нужен диоксид серы — порядка 45 кг на 1 г азота‑15. В процессе образуется много технологических отходов. Произведенный таким образом изотоп стоит от 50 до 200 долларов за грамм.

«Мы предлагаем другой тип процесса, — продолжает Алексей Лизунов. — Целевой изотоп выделяется тоже методом химического обмена, но между другими веществами: аммиаком и его термически неустойчивыми комплексами. В процессе многостадийного изотопного обмена азот‑15 накапливается в комплексах. Термическая нестойкость аммиачных комплексов позволяет отказаться от больших затрат реагентов и существенно снизить себестоимость разделения».

В институте построили экспериментальную установку расчетной производительностью до 5 кг азота‑15 в год. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы профинансировали в рамках Единого отраслевого тематического плана. Высота колонн, в которых происходит разделение изотопов, — 25 м.

«Мы сами проектировали установку, а изготовили ее наши технологические партнеры. Все российское, за исключением некоторых технологических единиц. Криотермостаты для поддержания стабильных условий разделительного процесса — из КНР, но на будущее заказали отечественные. Постепенно движемся к полному импортозамещению», — подчеркивает Алексей Лизунов.

От граммов к тоннам

К осени прошлого года все три ступени установки были пущены. «Она работала чуть больше месяца непрерывно, днем и ночью, — рассказывает Алексей Лизунов. — К началу ноября перешли в отборный режим и за 100 часов наработали опытную партию — 140 г продукта с концентрацией азота‑15 около 57 %. При той высоте здания, в котором размещена установка, и площади, которыми мы располагаем, это хороший результат».

Опытную партию после всех разрешительных процедур передадут ученым института, которые занимаются синтезом СНУП-топлива, для отработки технологии производства изотопно-модифицированного нитрида и его испытаний в реакторе. Далее надо разобраться, как перерабатывать облученное изотопно-модифицированное СНУП-топливо с выделением ценного азота‑15, чтобы вновь использовать его при синтезе нитрида.

В феврале сотрудники института продемонстрировали установку научному руководителю проектного направления «Прорыв» Евгению Адамову и первому заместителю гендиректора «Росатома» по развитию новых продуктов атомной энергетики Александру Локшину, те остались довольны увиденным. Если в госкорпорации примут решение продолжить работы, ученым предстоит масштабировать технологию, чтобы нарабатывать уже сотни килограммов азота‑15. Промышленная установка должна быть в несколько раз больше экспериментальной, чтобы выйти на нужный объем.

«В следующий период нам предстоит решить задачи рецикла азота‑15, извлекаемого из отработавшего топлива, и масштабировать технологию производства изотопно-модифицированного СНУП-топлива с рециклом азота‑15. В укрупненном лабораторном масштабе мы показали, что рецикл может быть осуществлен», — заключает Алексей Лизунов.

Александр Угрюмов
Старший вице-президент по научно-технической деятельности ТВЭЛ

— Реакторы на быстрых нейтронах имеют стратегическое значение для энергетики будущего. Сегодня наши ученые системно выстраивают всеобъемлющую научно-техническую базу, которая позволит создать новую технологическую платформу в атомной отрасли по всей цепочке ядерного топливного цикла. Наши исследования одновременно охватывают перспективные топливные и конструкционные материалы, технологии фабрикации уран-плутониевого топлива и решения по его переработке. Все это направлено на энергетическую и экологическую безопасность в парадигме устойчивого развития — максимально возможное расширение сырьевой базы при минимизации радиоактивных отходов и облученного топлива.